页岩气井筒结垢机理与防治技术研究

《Processes》：Study on Scaling Mechanism and Prevention Technology of Shale Gas Wellbore Qiaoping Liu, Lingxin Wang, Jianyi Liu and Liangyuan He

　　

近年来，涪陵页岩气田数十口井发生筛管结垢与堵塞，严重影响了气井正常生产。调查表明，中国石化西南分公司威荣页岩气田以及中国石油长宁、威远页岩气田也存在类似问题。尽管通过通井检管作业已恢复部分井的生产，但针对页岩气井的若干关键问题仍未解决，包括适用于水平页岩气井特有气—液两相流工况的结垢机理、复杂流向变化导致筛管处垢沉积规律，以及高矿化度采出水中高硬度硫酸钡（BaSO₄）垢的靶向防治技术。通过与西南石油大学联合开展页岩气井筒结垢机理及防治技术研究，涪陵页岩气田明确了BaSO₄结垢量随压力和温度降低而增大、随气水比升高而增大的原因，阐明了压力、温度、气水比及管壁粗糙度等因素的影响特征。研究发现，该区页岩气井油管壁结垢量很小，堵塞主要发生于筛管及其邻近区域。由于筛管内气、水流向发生复杂变化，析出的微细垢粒发生分离、沉降与聚集，形成持续生长的变径台阶。研究人员开发了两类药剂：LPPAS阻垢剂和钡锶硫酸盐螯合型解堵剂，其阻垢率最高超过90%，溶垢率分别超过70%，为页岩气井高效稳产奠定了基础。

该文发表于《Processes》，围绕涪陵页岩气田中后期开发表现突出的井筒结垢与筛管堵塞问题，系统研究了页岩气井筒硫酸钡（BaSO₄）结垢机理、主控影响因素及针对性防治技术。研究背景在于，页岩气作为重要的非常规天然气资源，已在中国实现规模化商业开发，但随着开发进入中后期，井筒结垢堵塞问题日益突出，直接导致产气量下降、修井频率增加，并可能诱发管柱腐蚀和井下工具卡阻等风险。涪陵、威荣、长宁和威远等国内页岩气田均出现了相似问题，且主要垢型为高硬度、强黏附、难清除的无机垢，尤其是BaSO₄垢。既有研究多针对常规油气井开展，对页岩气井高压、大温差、高矿化度、复杂气液两相流以及水平井流动特征下的结垢规律认识不足，现有阻垢剂和解堵剂在高盐工况下针对BaSO₄垢的适应性和有效性也有限，因此开展该研究具有明显的理论意义与工程应用价值。

研究人员首先针对涪陵页岩气田典型结垢井开展现场取样与实验分析，明确结垢物组成、微观形貌及形成条件；继而基于过饱和析晶理论和经典成核理论分析BaSO₄结垢形成过程；在此基础上，通过高压反应釜模拟不同压力、温度和气水比条件，研究结垢量变化规律，并结合现场数据验证实验结果；随后针对主要垢型开发LPPAS阻垢剂、钡锶硫酸盐螯合型解堵剂及酸性复合解堵剂，并通过静态阻垢、溶垢和现场试验评价其性能。研究结论表明，涪陵页岩气井井筒结垢以BaSO₄为主，压力降低、温度降低和较高气水比均促进BaSO₄析出；筛管处复杂流向变化是微细垢粒沉积和堵塞形成的关键动力学因素；所开发药剂具有较高阻垢和解堵能力，现场应用可使气井恢复至初始产能的80%以上，为页岩气井稳产提供了技术支撑。

从技术方法看，研究主要采用了四类关键方法。其一，现场样品分析：选取涪陵页岩气田4口典型结垢井，在筛管段、邻近油管段和喇叭口等部位采集垢样，并同步采集分离器采出水和气样。其二，物相与微观表征：采用X射线衍射（XRD，晶相鉴定）、扫描电子显微镜（SEM，微观形貌观察）和能量色散谱（EDS，元素分析）表征垢样特征。其三，机理与影响因素实验：利用5 L高压反应釜，在控制压力、温度和气水比条件下模拟气液平衡和结垢过程，并以现场12口结垢井数据验证模拟可靠性。其四，药剂研发与评价：依据行业标准开展静态阻垢试验、溶垢试验、材料相容性评价及现场解堵应用验证。

2. Study on Wellbore Scaling Mechanism of Shale Gas Wells
2.1. Field Sample Analysis
研究人员对涪陵页岩气田4口典型结垢井进行系统采样分析。XRD结果表明，A、B、D井垢样主要成分为BaSO₄，含量为92.2 ± 1.5%–95.1 ± 1.2%，并伴有少量二氧化硅（SiO₂）。SEM与ImageJ定量分析显示，BaSO₄晶体呈规则菱形，平均粒径为2.3 ± 0.5 μm，主要分布在1.2–3.8 μm，晶体聚集度为65 ± 8%，说明垢层结构致密、黏附性强。EDS进一步证实钡和硫为优势元素。采出水水质分析显示，水体富含Ba²⁺、Sr²⁺、Ca²⁺及SO₄^2?、HCO₃^?等离子，为硫酸盐垢和碳酸盐垢形成提供了离子基础。C井则为典型低产、长期关井并间歇生产井，垢层以腐蚀产物FeCO₃为主，并夹杂少量BaSO₄，形成FeCO₃主导的复合垢。相关性分析表明，Ba²⁺浓度与结垢倾向呈显著正相关，R = 0.92，p < 0.01，而Ca²⁺与BaSO₄结垢倾向相关性不显著，说明Ba²⁺是主导BaSO₄结垢的重要离子基础。

2.2. Study on Scaling Mechanism
研究指出，水垢形成过程可概括为“水溶液→过饱和→晶体析出→晶体生长→结垢”。诱导机制包括热力学条件变化以及不相容离子水体混合两类。对高矿化度页岩气采出水中的BaSO₄结垢，研究采用经典成核理论进行解释，认为成核受过饱和度、温度及表面能等因素控制；尽管高盐度会影响离子活度，但经Debye–Hückel方程修正后，对成核速率计算的影响在可接受范围内。该部分从理论上为后续影响因素实验与防治技术开发提供了依据。

3. Study on Influencing Factors of Scaling
3.1. Effect of Pressure on Scaling
在高压反应釜条件下，研究人员系统考察压力对BaSO₄结垢量的影响，并以涪陵页岩气田12口结垢井现场数据进行验证，模拟值与实测值相对误差控制在15%以内。结果表明，BaSO₄结垢量与压力呈显著负相关。在地层压力范围24–26 MPa时，几乎不发生明显析晶；当压力降至20 MPa时开始出现结垢，降至10 MPa时结垢量继续增大，而在3 MPa附近达到峰值6.71–8.69 mg/L。说明压力下降是驱动井筒BaSO₄析出的关键热力学因素之一。

3.2. Effect of Temperature on Scaling
温度实验表明，BaSO₄结垢量随温度降低而增大。在98.5 °C地层温度附近，结垢量最低；随着温度降至80 °C、60 °C和20 °C，结垢量逐级上升，并在20 °C时达到8.15–8.69 mg/L。SEM观察还显示，高温条件下形成的BaSO₄晶体形貌规整、分散性较好、聚集程度较低；低温条件下晶体形貌不规则且颗粒间紧密团聚，更易形成致密难清除垢层。因此，温降不仅增加结垢量，也增强垢层致密性和清除难度。

3.3. Effect of Gas–Water Ratio on Scaling
研究以不同气水比模拟页岩气井气液两相流状态，结果显示BaSO₄结垢量与气水比呈显著正相关。在10 MPa、98.5 °C条件下，气水比为9.28 × 10⁴ m³/m³时结垢量达29.11 mg/L，而在0.15 × 10⁴ m³/m³时仅为1.06 mg/L。研究认为，高气水比下气液混合流接触面积大、传质效率高，Ba²⁺与SO₄^2?碰撞概率增加，易促进结晶析垢；低气水比下气液分层流明显，传质效率下降，结垢倾向减弱。由此可见，水平井筒中流型变化是控制结垢的重要因素。论文进一步指出，气举工艺可能使注气点以上气水比显著增加，进而加大结垢风险；现场3口气举井的优化数据表明，优化注气参数后结垢周期得到延长。

研究还指出，实验所示“析出量大”并不等于“沉积堵塞强”。虽然井口附近更易出现较高结垢量，但实际堵塞主要集中于筛管及邻近管段。原因在于筛管内部气、水流向发生复杂变化，析出的微细BaSO₄颗粒在流向变化作用下分离、沉降并聚集，形成持续生长的变径台阶。为量化沉积能力，研究引入垢沉积系数K_d，用于表征析出颗粒在管壁上的实际沉积能力。

4. Research and Evaluation of High-Efficiency Prevention and Control Technologies
4.1. Research and Evaluation of Scale Inhibitors
基于机理认识，研究人员以聚膦酸盐、马来酸酐—丙烯酸共聚物、磺化苯乙烯—马来酸酐共聚物为主要阻垢组分，以有机胺为增效剂、乙醇为溶剂，通过正交试验优化得到LPPAS阻垢剂配方。静态阻垢试验结果表明，LPPAS对BaSO₄的阻垢率随浓度增加而提高，在25 mg/L时可达98.8%；对CaCO₃在同浓度下阻垢率可达91.47%，显示出较好的广谱阻垢性能。初步相容性试验表明，该阻垢剂在20,000–45,000 mg/L矿化度及pH 6.0–9.0范围内仍能保持较高BaSO₄阻垢率，说明其适用于研究区页岩气井高盐工况。

4.2. Research and Evaluation of Plugging Removers
针对BaSO₄垢和FeCO₃-BaSO₄复合垢，研究开发了钡锶硫酸盐螯合型解堵剂和酸性复合解堵剂。前者以氨基三甲叉膦酸（ATMP）和乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）为主要螯合组分，辅以NaOH和异丙醇，用于破坏BaSO₄晶体结构并提高穿透能力；其与N80钢管的相容性较好，腐蚀速率低于行业允许值。后者采用“酸溶+螯合”复合体系，以盐酸溶解FeCO₃，以1-羟基乙叉-1,1-二膦酸（HEDP）螯合BaSO₄，并加入缓蚀与表面活性组分。溶垢试验结果显示，钡锶硫酸盐螯合型解堵剂对不同井BaSO₄垢的溶垢率为68.70%–78.95%，对FeCO₃-BaSO₄复合垢效果有限；酸性复合解堵剂对复合垢的总溶垢率为82.36%，其中FeCO₃溶解率超过90%，BaSO₄约为30%，体现了分步暴露与协同解堵的技术思路。

5. Field Application Effect Evaluation
现场应用选择涪陵页岩气田B井作为验证对象。该井投产后随开发推进出现油压和套压异常变化，产气、产水能力快速衰减，最终无法连续生产；同平台A井在检管后证实筛管被BaSO₄垢完全堵塞。研究人员于2025年9月采用钡锶硫酸盐螯合型解堵剂实施循环注入与浸泡作业，总注入量10 m³，随后配合气举恢复生产。结果显示，B井产量恢复至约1 × 10⁴ m³/d，为结垢前初始产量的83%，并保持连续稳定生产，说明该解堵技术具有较好的现场可行性和短期稳定性。

讨论部分表明，该研究从“结垢析出”与“颗粒沉积堵塞”两个层面揭示了页岩气井筒结垢问题的本质差异：热力学条件决定BaSO₄是否析出及析出量大小，而筛管局部复杂流态、流向突变和颗粒迁移沉积则决定堵塞位置与严重程度。因此，页岩气井结垢防治不能仅关注井筒总体结垢倾向，还应结合水平井两相流动特征、筛管结构及工艺措施进行靶向设计。论文形成了“预防为主、化学解堵、工艺优化协同”的思路，即以LPPAS阻垢剂前置抑垢，以螯合型或酸性复合药剂实施针对性解堵，并通过控制气水比、优化气举参数降低再结垢风险。这一研究为高盐采出水条件下页岩气井BaSO₄垢防治提供了较完整的理论与工程方案。

研究结论部分可译为：通过系统实验分析、理论模拟和现场验证，研究人员阐明了涪陵页岩气井井筒结垢的核心机理及关键影响因素，并开发了相应防治技术。涪陵页岩气田井筒结垢以BaSO₄为主，其形成源于生产过程中压力和温度下降导致富含Ba²⁺与SO₄^2?的地层水达到过饱和；压力下降和温度下降是BaSO₄析出的主要热力学驱动力，筛管流向变化与粗糙管壁是促进沉积的关键动力学因素；堵塞主要发生于筛管及其邻近区域，原因在于微细BaSO₄颗粒在复杂流动中发生分离、沉降和聚集；所开发的LPPAS阻垢剂对BaSO₄和CaCO₃均具有优异阻垢性能，钡锶硫酸盐螯合型解堵剂和酸性复合解堵剂分别对BaSO₄垢和FeCO₃-BaSO₄复合垢表现出较高溶解能力；由此建立了“预防优先、化学解堵与工艺优化结合”的防治策略，现场试验表明该策略可将气井产量恢复至初始水平的80%以上，为页岩气井稳定生产提供了技术支持。